Ferramentas de Modelagem
Ambiental
Dr. Tiago Garcia de Senna Carneiro
TerraLAB - Laboratório INPE/UFOP para
Simulação e Modelagem dos Sistemas
Terrestres
Fevereiro de 2010
Modelos Ambientais Dinâmicos
Espacialmente explicitos.
Os modelos ambientais que nos interessam são dinâmicos e
espacialmente-explicitos:
 Modelos dinâmicos são capzes de representar mudança.

Modelos espacialmente-explicitos nos permitem estudar as
trajetórias e os padrões espaciais dessas mudanças.
Modelos Computacionais
do Espaço
Dos Sistemas de Informação
Geográfica (SIG) à Álgebra de Mapas
Atuais Concepções do Espaços
Campos

Objetos
Componentes


matriz de valores categórícos
ou numéricos

coordenadas (x, y)

um atributo por célula

vizinhança (filtros)
Componentes

conjunto de geo-objetos

identificador único

vários atributos por células

operadores topológicos: , , , , toca, etc.
realida
de
mapas
de solo
campo
superfície contínua
uma superfície ocupada por objetos discretos
e identificáveis
A maioria dos SIGs modelam a realidade geográfica como: campo ou objeto.
Representações Computacionais do Espaços
X,Y,Z
X,Y,Z
X,Y,Z
X,Y,Z
X,Y,Z

Matriciais (campo ):

Imagems
 Grades numéricas
 Grades celulares
•
Vetoriais (objeto):
– Pontos
– Linhas (e redes)
– Poligonos (e triangulações)
Arquitetura e Interface de um SIG
Interface com o Usuario TerraView (INPE)
Arquitetura TerraLIB (INPE)
O Banco de Dado Geográfico é
organizado em
Planos de Informação
Metodos de Análise Espacial

Análise dados vetoriais:

Análise de pontos: kernel,
cluster
 Análise de área: Moran, ...
 Geoestatística: krigeagem
ordinária,
krigeagem por indicação

Análise de dados matriciais:

Filtros
 Contrastes
 Segmentação
 Classificação
Álgebra de Mapas
“A dinâmica da simulação é representada pela realização de uma
seqüência finita de operações algébricas sobre os mapas de
entrada. O tempo não é considerado explicitamente.”

Tomlin (1990):



A linguagem LEGAL (199?):



somente campos
Operações pontuais,
de vizinhança e zonais
campos e objetos
Integrada ao Spring
PCRaster (199?):


somente campos
possui o conceito de
interação
A linguagem PCRaster
# <- este símbolo indica comentário
timer
1 28 1; # 28 passos de simulação
initial
# cobertura de estações meteorológicas para toda a área
RainZones = spreadzone(RainStations,0,1);
# cria o mapa de capacidade de infiltração (mm/6horas),
# com base no mapa de solos
InfiltrationCapacity = lookupscalar(SoilInfiltrationTable,SoilType);
dynamic
# adiciona chuva à superfície de água (mm/6horas)
SurfaceWater = timeinputscalar(RainTimeSeries,RainZones);
# computa a inflitração atual e o overflow
Runoff, Infiltration =
accuthresholdflux,
accuthresholdstate(Ldd,SurfaceWater,InfiltrationCapacity);
# saída: escoamento de para cada passo da simulação
report LogRunoff = log10(Runoff+0.001);
A Lingagem LEGAL do software SPRING
Dinâmica-EGO (Environment for Geoprocessing Objects)
Animal Movement: plugin
for ArcGIS
The Analysis of Telemetry Data in GIS
Environment
Analise Estatistica: Animal Movement
Histogramas
Spider Diagram: Animal Movement
Media Harmonica
Media Aritmética
Usando areas predefinida
Calcula o centro das ocorrências.
Rotas: Animal Movement
Area de vida: Animal Movement
Kernel
Poligono convexo
Functions: Animal Moviment
s
Plataformas baseadas em
Teoria Geral de Sistemas
Teoria Geral de Sistemas


Provê uma classificação unificada para o conhecimento
científico disponivel.
Enunciada pelo biólogo Ludiwig Von Bertalanffy:

1920’s: primeiros desenvolvimentos
 1937: Charles Morris Philosophy Seminar, University of Chicago
 1950: “An Outline of General Systems Theory”, Journal for the
Philosophy of Science

Cientistas que introduziram a TGS nas suas disciplinas:





Parsons, a sociologist (1951)
J.G Miller a Psychiatrist & Psychologist (1955)
Boulding, an economist (1956)
Rapoport. A mathematician (1956)
Ashby, a bacteriologist (1958)
Concepção da Realidade
• A realidade é formada por sistemas que agem como módulos organizados
hieraquicamente.
• Sistemas são estoques de energia: pura, matéria ou informação.
• Sistemas estão imersos em um ambiente.
• Fluxos os conectam e transportam energia de um sistema para o outro .
Ambiente
Sistema 2
Sistema 1
Sistema 3
Sistema 4
Aplicações
Atmosfera
chuva
evaporação
Atmosfera
Ciclo da Água
Solo
Camada 1
Oceano
Camada 2
fixação
Ciclo antropogênico
do CO2
Floresta
Subbosque
queima
drenagem
Rio
•
infiltração
Fluxos são descritos como funções reais (regras):
•
•
•
•
Discretas ou Contínuas
Determinísticas ou Estocáticas
Booleanas ou Fuzzy
Estacionárias ou Adaptativas
Arvores
Vantagens e Desantagens

Vantagens:

Princípios simples e sólidos:




Modularidade: todo sistema é uma caixa-preta, sua saída depende
somente da entrada
Organização Hierarquica: sistemas são recursivamente formado por
sub-sistemas que, por sua vez, são foramdo por outros sistemas.
Excelente abordagem para modelar mudanças em quantidades
Desvantagens:

Como modelar mudanças em:




Localizações
Propriedade de objetos
Indivíduos
Sociedades
Ferramentas de Modelagem Baseadas em
Teoria Geral de Sistemas




Dinamo
Vensim
Smile
STELLA
SME - Spatial Modelling Environment
Plataformas baseadas em
Agentes
Agent-Based Modelling
Representations
Goal
Communication
Communication
Action
Perception
Environment
Gilbert,
Agents are…
Identifiable and self-contained
Goal-oriented

Does not simply act in response to the environment
Situated

Living in an environment with which interacts with other agents
Communicative/Socially aware

Communicates with other agents
Autonomous

Exercises control over its own actions
Swarm
Repast
Netlogo
Netlogo
Plataformas baseadas em
Automatos Celulares
Kenge = Swarm + Cellular Automata + GIS
Geonamica
TerraME: um software
publico de suporte a
modelagem ambiental
Nested-CA: um modelo de computação
hibrido
Ambiente de Modelagem
TerraME
TerraME INTERPRETER
• model syntax semantic checking
• model execution
TerraView
• data acquisition
• data visualization
• data management
• data analysis
LUA interpreter
TerraME framework
data
model
model
TerraME/LUA interface
MODEL DATA
Model
source code
TerraLib
database
data
Eclipse & LUA plugin
• model description
• model highlight syntax
Integração com SIG
GIS
TerraME: Arquitetura de Software
RondôniaModel
dynamicaModel
RICKSModel
CLUEModel
TerraML Language
TerraMLCompiler
TerraML Virtual Machine
TerraME C++
Framework
C++ Signal
Processing
librarys
TerraLib
C++
Mathematical
librarys
C++
Statistical
librarys
Carregamento de dados em TerraME
-- Loads the TerraLib cellular space
csCabecaDeBoi = CellularSpace
{
dbType = "ADO",
host = "amazonas",
database = "c:\\cabecaDeBoi.mdb",
user = "",
password = "",
layer = "cellsSerraDoLobo90x90",
theme = "cells",
select = { "altimetria", "qtdeAgua", "capInf" }
}
csCabecaDeBoi:load();
csCabecaDeBoi:loadNeighbourhood(“Moore_SerraDoLobo1985");
GIS
TerraME: Requisitos de Suporte à Múltiplas
Escalas

Comportamento modular (caixa preta)

Organização hierárquica

Escala = tempo + espaço + comportamento

Multiplas extensões e resoluções em cada dimensão

Retroalimentações (feedbacks) inter- and entre- escalas
Escala 1
Escala 2
Escala 1.1 Scale 1.2
Escala 1.1.1
entrada
?
retroalimentação
saida
O Conceito de Escala
Scale é um conceito geral que inclui as dimensões espacial, temporal e comportamental utilizada
para mensurar qualquer fenômeno, sistema, ator, entidade ou processo.
Extensão se refere a magnitude da medida.
Resolução se refere a granularidade da medida.
(Gibson et al. 2000)
Escala: Extensão e Resolução
Extenção refere-se à magnitude das medições.
TEMPO
ESPAÇO
COMPORTAMENTO
joão
homens
Resolução refere-se à granularidade das medições.
maria
mulheres
Desenvolvimento
de Modelos
em
Nested-CA: Escalas
Aninhadas
Múltiplas Escalas
Escala 1
pai
up-scaling
down-scaling
Escala 2
filho
Use escalas aninhadas
A estrutura do Espaço é não-homogênea
Escalas Aninhadas
Modelos em múltiplas camadas (escalas).
Partições do Espaço podem ter Escalas diferentes.
Rondônia: cada assentamento do INCRA é
modelado como uma Escala
62o 30’ W
62o W
9o S
9o 30’ S
9o 30’ S
Projetos antigos
Novos projetos
Projetos planejados
9o S
10o S
10o S
10
8
10o 30’ S
10o 30’ S
Projetos de
Colonização
62o 30’ W
0
62o W
50
Km
13
15
14
16
Fonte: Isabel Escada (INPE)
km
TerraME suporte a Múltiplas: Escalas e
Representacoes do Espaço
•
2 Submodels (2 different scales):
–
How much?
Demand Model: how much change?
•
•
1 Cellular Space: the Legal Amazon States
1 Cellular Space: the Legal Amazon roads
Where?
–
Allocation Model: where the change will take change?
– 1 Cellular Space: the sparse squared cells.
Nested-CA em TerraME: múltiplos
para paradigmas de modelagem
DEVS
1. Get first pair
2. Execute the ACTION
AMBIENTE ou ESCALA
3. Timer =EVENT
return value
1.
1:32:0
0
Mens. 1
2.
1:32:1
0
Mens. 3
3.
1:38:0
7
Mens. 2
4.
1:42:0
0
Mens.4
...
true
4. timeToHappen += period
GPM
y
INDIVÍDUO
CAMPO
t
coberturea
x
cobertura
estado do agente
estado do autômato
TRAJETÓRIA
Obrigado…
Perguntas?
Mais informações em:
www.terralab.ufop.br
www.terrame.org